電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的實時監(jiān)測與故障診斷研究

孟凡陽，梁甲慶

（聊城市光明電力服務有限責任公司陽谷分公司，山東 陽谷 252300）

0 引 言

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡作為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在實時監(jiān)測和故障診斷方面起著至關重要的作用。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和復雜程度的增加，傳統(tǒng)的監(jiān)測與診斷方法已經(jīng)不能滿足實際需求，因此需要研究和設計更加高效和準確的實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。文章將重點探討電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，旨在提升電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性。

1 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡架構與組成

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡是電力系統(tǒng)中至關重要的組成部分，主要包括配網(wǎng)主站系統(tǒng)、主站控制層、子站通信層以及接入通信層等，如圖1 所示。配網(wǎng)主站系統(tǒng)作為通信網(wǎng)絡的核心，負責整體控制和監(jiān)測，包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）服務器和管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）服務器等；主站控制層承擔著對配網(wǎng)主站系統(tǒng)的管理和控制功能；子站通信層將信號從主站傳輸?shù)礁鱾€變電子站的通道，其中多業(yè)務傳送平臺（Multi- Service Transport Platform，MSTP）和光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）等設備起到重要作用；接入通信層則是將信號從變電子站傳輸?shù)骄唧w的終端設備，其中包括光網(wǎng)絡單元（Optical Network Unit，ONU）、遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）、數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）等設備，用于實現(xiàn)對開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關等設備的控制和監(jiān)測[1]。

圖1 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡架構

2 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)框架與架構設計

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)框架主要包括硬件設備、軟件平臺以及數(shù)據(jù)處理3 個方面，如圖2 所示。在硬件設備方面，系統(tǒng)主要包括配電站內部的智能變配電輔助監(jiān)控裝置和配電監(jiān)控云平臺。智能變配電輔助監(jiān)控裝置通過遠程控制和傳感技術，監(jiān)測和控制配電站內各種設備。配電監(jiān)控云平臺作為數(shù)據(jù)的存儲與處理中心，承擔著接收、存儲以及分析配電站各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能，同時支持實時監(jiān)測和遠程控制數(shù)據(jù)，以及對異常情況的預警和響應。在軟件平臺方面，系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術和云計算平臺，實時監(jiān)測和管理配電站運行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)以及安全情況。物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)配電站內各個監(jiān)測點的信息采集和數(shù)據(jù)傳輸，并確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時性和準確性；而云計算平臺則提供了強大的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，支持分析和挖掘大規(guī)模數(shù)據(jù)，從而綜合分析與預測配電站運行狀態(tài)和故障情況。在數(shù)據(jù)處理方面，系統(tǒng)通過分析和處理采集到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配電站運行狀態(tài)和故障情況的智能識別與判斷[2]。通過機器學習和人工智能等技術手段，系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，識別出潛在的故障風險和異常情況，并及時進行預警和處理，確保配電站的安全運行和可靠性供電。

圖2 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)架構

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)是電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中至關重要的組成部分。在數(shù)據(jù)采集方面，采用多種傳感器和監(jiān)測設備，如溫度傳感器、濕度傳感器及電流傳感器等，以實時監(jiān)測電力系統(tǒng)各個節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)。這些傳感器通過數(shù)字信號或模擬信號將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集裝置，如數(shù)據(jù)采集器或嵌入式控制器。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用多種通信技術和協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和實時性。對于近距離的數(shù)據(jù)傳輸，采用有線通信方式，如以太網(wǎng)、RS-485 等，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和高速傳輸；對于遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，采用無線通信方式，如4G/5G 網(wǎng)絡、長距離廣域網(wǎng)（Long Range Wide Area Network，LoRaWAN）等，實現(xiàn)對分布在廣大區(qū)域內的監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳輸。為了增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕€將采用數(shù)據(jù)加密和身份驗證等技術手段，確保數(shù)據(jù)的機密性和完整性。在設計方案中，通過采用模塊化設計和標準化接口，可以更加便捷地增加新的監(jiān)測節(jié)點或調整系統(tǒng)的配置，以適應不同規(guī)模和需求的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡[3]。同時，引入自動化控制和遠程管理技術，遠程監(jiān)控和維護數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)設計是電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)，主要包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分析以及可視化等多個模塊。其中，數(shù)據(jù)存儲模塊采用分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如Hadoop、Spark 等，用于存儲采集到的大規(guī)模數(shù)據(jù)。存儲過程可以表示為

式中：S表示總存儲量；Di表示第i個數(shù)據(jù)的存儲量；N表示數(shù)據(jù)總量。

數(shù)據(jù)清洗模塊負責對采集到的數(shù)據(jù)進行清洗，去除噪聲和異常數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)質量和準確性。數(shù)據(jù)清洗過程可以表示為

式中：C表示清洗后的數(shù)據(jù)；表示數(shù)據(jù)的均值。

數(shù)據(jù)預處理模塊采用多種技術，如特征選擇、降維等，對清洗后的數(shù)據(jù)進行處理，提取有用的特征信息。數(shù)據(jù)預處理過程可以表示為

式中：P表示預處理后的數(shù)據(jù)；X表示原始數(shù)據(jù)；α和β表示預處理參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析模塊采用聚類分析和關聯(lián)規(guī)則挖掘等算法，對預處理后的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)其中的潛在規(guī)律和異常行為，以支持故障診斷和預測[4]。數(shù)據(jù)分析過程可以表示為

式中：A表示分析結果；f(·)表示數(shù)據(jù)分析函數(shù)。

可視化模塊將分析結果以表格或圖形等形式直觀展示給用戶，幫助用戶理解電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障情況。可視化過程可以表示為

式中：V表示可視化結果；g(·)表示可視化函數(shù)。

2.4 故障診斷子系統(tǒng)設計

故障診斷子系統(tǒng)的設計是電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中至關重要的部分，系統(tǒng)進行故障診斷的流程主要分為數(shù)據(jù)采集、故障特征提取、故障診斷、故障定位以及故障報告生成5 個主要步驟，具體如圖3 所示。在數(shù)據(jù)采集階段，故障診斷子系統(tǒng)通過傳感器、監(jiān)測設備以及無線通信網(wǎng)絡，實時收集電力系統(tǒng)中各節(jié)點的運行數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫濕度及設備狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)故障分析提供關鍵支持。在故障特征提取階段，子系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行預處理和特征提取，通過信號處理和數(shù)據(jù)分析技術，識別異常行為和模式，如電壓波動或電流異常等，為故障診斷做鋪墊。在故障診斷階段，子系統(tǒng)利用先進的算法和模型，結合歷史案例和設備參數(shù)，采用模式識別和人工智能等技術，對異常數(shù)據(jù)深入分析，實現(xiàn)故障的自動識別與診斷。在故障定位階段，系統(tǒng)精確鎖定故障位置，并生成詳細報告和建議[5]。利用地理信息系統(tǒng)和實時定位技術，系統(tǒng)可實時顯示故障點，幫助運維人員迅速定位并采取修復措施。

圖3 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡故障診斷流程

3 案例分析

3.1 案例概況

某一小區(qū)的配電站發(fā)生一起電力系統(tǒng)故障，導致附近多個區(qū)域出現(xiàn)停電情況。調查和分析發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生在該配電站的開閉所設備中。開閉所設備長時間運行，導致部分電纜接頭老化且存在松動，進而導致設備的接觸不良和局部短路。這一故障嚴重影響了配電站的正常運行，也給附近居民的生活和工作帶來不便。通過系統(tǒng)實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)配電站主變壓器出現(xiàn)過負荷運行，導致設備過熱，從而引發(fā)配電站的突發(fā)故障。

3.2 系統(tǒng)應用結果分析

相較于傳統(tǒng)檢測方法，實時監(jiān)測系統(tǒng)在多個方面都取得了顯著的改善，具體如表1 所示。在故障診斷方面，實時監(jiān)測系統(tǒng)將故障診斷時間從傳統(tǒng)方法的60 min縮短至10 min，大幅提高故障診斷的效率。同時，實時監(jiān)測系統(tǒng)的故障定位準確率達到95%，遠高于傳統(tǒng)方法的70%，說明系統(tǒng)在故障定位方面具有更高的精準度和準確性。實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠將故障修復時間從傳統(tǒng)方法的8 h 縮短至2 h，有效縮短故障處理的時間，減少停電對周邊區(qū)域的影響。在維修成本方面，實時監(jiān)測系統(tǒng)也取得顯著的降低，僅為傳統(tǒng)方法維修成本的40%，這主要得益于其高效的故障診斷和定位能力，減少人力和物力的浪費。最重要的是，實時監(jiān)測系統(tǒng)帶來的高效率和精準性使客戶滿意度評分得到明顯提升，從傳統(tǒng)方法的6 分提升至9 分，充分展現(xiàn)了系統(tǒng)在提升服務質量和用戶體驗方面的顯著優(yōu)勢。由此表明，實時監(jiān)測系統(tǒng)在電力系統(tǒng)故障診斷與維修方面的應用效果明顯，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供可靠保障。

表1 系統(tǒng)應用效果

4 結 論

文章所提出的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)不僅對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，也為實現(xiàn)智能電網(wǎng)、提升電力系統(tǒng)運行效率及服務質量提供重要支撐。隨著技術的不斷發(fā)展和應用的不斷深入，電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的實時監(jiān)測與故障診斷技術將不斷完善和提升，為電力行業(yè)的發(fā)展注入新的活力。